Конвертер В'язкості
Розуміння Потоку Рідин: Основи В'язкості
В'язкість вимірює опір рідини потоку — мед більш в'язкий, ніж вода. Розуміння критичної різниці між динамічною в'язкістю (абсолютний опір) і кінематичною в'язкістю (опір відносно густини) має важливе значення для механіки рідин, інженерії змащувальних матеріалів та промислових процесів. Цей посібник охоплює обидва типи, їх зв'язок через густину, формули перетворення для всіх одиниць і практичне застосування від вибору моторної оливи до консистенції фарби.
Фундаментальні Поняття: Два Типи В'язкості
Динамічна В'язкість (μ) - Абсолютна
Вимірює внутрішній опір напрузі зсуву
Динамічна в'язкість (також називається абсолютною в'язкістю) кількісно визначає, яка сила необхідна для переміщення одного шару рідини відносно іншого. Це внутрішня властивість самої рідини, незалежна від густини. Більші значення означають більший опір.
Формула: τ = μ × (du/dy), де τ = напруга зсуву, du/dy = градієнт швидкості
Одиниці: Па·с (СІ), пуаз (П), сантипуаз (сП). Вода @ 20°C = 1.002 сП
Кінематична В'язкість (ν) - Відносна
Динамічна в'язкість, поділена на густину
Кінематична в'язкість вимірює, як швидко рідина тече під дією сили тяжіння. Вона враховує як внутрішній опір (динамічну в'язкість), так і масу на одиницю об'єму (густину). Використовується, коли важливий потік під дією сили тяжіння, наприклад, зливання оливи або переливання рідини.
Формула: ν = μ / ρ, де μ = динамічна в'язкість, ρ = густина
Одиниці: м²/с (СІ), стокс (Ст), сантистокс (сСт). Вода @ 20°C = 1.004 сСт
Ви НЕ МОЖЕТЕ конвертувати Па·с (динамічна) в м²/с (кінематична), не знаючи густини рідини.
Приклад: 100 сП води (ρ=1000 кг/м³) = 100 сСт. Але 100 сП моторної оливи (ρ=900 кг/м³) = 111 сСт. Однаковий динамічний в'язкість, різна кінематична в'язкість! Цей конвертер запобігає перехресним перетворенням, щоб уникнути помилок.
Швидкі Приклади Перетворення
Зв'язок з Густиною: ν = μ / ρ
Динамічна і кінематична в'язкість пов'язані через густину. Розуміння цього зв'язку має вирішальне значення для розрахунків у механіці рідин:
Вода @ 20°C
- μ (динамічна) = 1.002 сП = 0.001002 Па·с
- ρ (густина) = 998.2 кг/м³
- ν (кінематична) = μ/ρ = 1.004 сСт = 1.004 мм²/с
- Співвідношення: ν/μ ≈ 1.0 (вода є еталоном)
Моторна Олива SAE 10W-30 @ 100°C
- μ (динамічна) = 62 сП = 0.062 Па·с
- ρ (густина) = 850 кг/м³
- ν (кінематична) = μ/ρ = 73 сСт = 73 мм²/с
- Примітка: Кінематична на 18% вища за динамічну (через меншу густину)
Гліцерин @ 20°C
- μ (динамічна) = 1,412 сП = 1.412 Па·с
- ρ (густина) = 1,261 кг/м³
- ν (кінематична) = μ/ρ = 1,120 сСт = 1,120 мм²/с
- Примітка: Дуже в'язкий — у 1,400 разів густіший за воду
Повітря @ 20°C
- μ (динамічна) = 0.0181 сП = 1.81×10⁻⁵ Па·с
- ρ (густина) = 1.204 кг/м³
- ν (кінематична) = μ/ρ = 15.1 сСт = 15.1 мм²/с
- Примітка: Низька динамічна, висока кінематична (гази мають низьку густину)
Промислові Стандарти Вимірювання
До появи сучасних віскозиметрів промисловість використовувала методи витікання з чашки—вимірюючи, скільки часу потрібно для того, щоб фіксований об'єм рідини витік через калібрований отвір. Ці емпіричні стандарти використовуються і сьогодні:
Універсальні Секунди Сейболта (SUS)
Стандарт ASTM D88, широко використовується в Північній Америці для нафтопродуктів
ν(cSt) = 0.226 × SUS - 195/SUS (дійсний для SUS > 32)
- Вимірюється при певних температурах: 100°F (37.8°C) або 210°F (98.9°C)
- Звичайний діапазон: 31-1000+ SUS
- Приклад: Олива SAE 30 ≈ 300 SUS @ 100°F
- Варіант Saybolt Furol (SFS) для дуже в'язких рідин: отвір у ×10 разів більший
Секунди Редвуда № 1 (RW1)
Британський стандарт IP 70, поширений у Великій Британії та колишній Співдружності
ν(cSt) = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (дійсний для RW1 > 34)
- Вимірюється при 70°F (21.1°C), 100°F або 140°F
- Варіант Redwood № 2 для густіших рідин
- Перетворення: RW1 ≈ SUS × 1.15 (приблизно)
- В значній мірі замінені стандартами ISO, але все ще згадується в старих специфікаціях
Градус Енглера (°E)
Німецький стандарт DIN 51560, використовується в Європі та нафтовій промисловості
ν(cSt) = 7.6 × °E - 6.0/°E (дійсний для °E > 1.2)
- Вимірюється при 20°C, 50°C або 100°C
- °E = 1.0 для води @ 20°C (за визначенням)
- Звичайний діапазон: 1.0-20°E
- Приклад: Дизельне паливо ≈ 3-5°E @ 20°C
Орієнтири В'язкості з Реального Світу
| Рідина | Динамічна (μ, сП) | Кінематична (ν, сСт) | Примітки |
|---|---|---|---|
| Повітря @ 20°C | 0.018 | 15.1 | Низька густина → висока кінематична |
| Вода @ 20°C | 1.0 | 1.0 | Еталонна рідина (густина ≈ 1) |
| Оливкова олія @ 20°C | 84 | 92 | Діапазон олій для готування |
| SAE 10W-30 @ 100°C | 62 | 73 | Гаряча моторна олива |
| SAE 30 @ 40°C | 200 | 220 | Холодна моторна олива |
| Мед @ 20°C | 10,000 | 8,000 | Дуже в'язка рідина |
| Гліцерин @ 20°C | 1,412 | 1,120 | Висока густина + в'язкість |
| Кетчуп @ 20°C | 50,000 | 45,000 | Неньютонівська рідина |
| Патока @ 20°C | 5,000 | 3,800 | Густий сироп |
| Вар/Дьоготь @ 20°C | 100,000,000,000 | 80,000,000,000 | Експеримент з падінням вару |
Цікаві Факти про В'язкість
Експеримент з Падінням Вару
Найдовший у світі лабораторний експеримент (з 1927 року) в Університеті Квінсленда показує, як вар (дьоготь) тече через лійку. Він виглядає твердим, але насправді є рідиною з дуже високою в'язкістю — у 100 мільярдів разів більш в'язкою, ніж вода! За 94 роки впало всього 9 крапель.
В'язкість Лави Визначає Вулкани
Базальтова лава (низька в'язкість, 10-100 Па·с) створює спокійні виверження гавайського типу з поточними ріками. Ріолітова лава (висока в'язкість, 100,000+ Па·с) створює вибухові виверження типу гори Сент-Хеленс, тому що гази не можуть вийти. В'язкість буквально формує вулканічні гори.
В'язкість Крові Рятує Життя
Кров у 3-4 рази більш в'язка, ніж вода (3-4 сП @ 37°C), через еритроцити. Висока в'язкість крові збільшує ризик інсульту/інфаркту. Низькі дози аспірину знижують в'язкість, запобігаючи агрегації тромбоцитів. Тест на в'язкість крові може прогнозувати серцево-судинні захворювання.
Скло НЕ є Переохолодженою Рідиною
Всупереч поширеному міфу, старі вікна не товщі внизу через течію. В'язкість скла при кімнатній температурі становить 10²⁰ Па·с (у трильйон трильйонів разів більше, ніж у води). Щоб воно стекло на 1 мм, знадобилося б більше часу, ніж вік Всесвіту. Це справжнє тверде тіло, а не повільна рідина.
Класи Моторної Оливи — Це В'язкість
SAE 10W-30 означає: 10W = зимова в'язкість @ 0°F (текучість при низькій температурі), 30 = в'язкість @ 212°F (захист при робочій температурі). 'W' означає зима (winter), а не вага (weight). Всесезонні оливи використовують полімери, які згортаються на холоді (низька в'язкість) і розширюються при нагріванні (підтримують в'язкість).
Комахи Ходять по Воді Завдяки В'язкості
Водомірки використовують поверхневий натяг, але також користуються в'язкістю води. Рухи їхніх ніг створюють вихори, які відштовхуються від в'язкого опору, рухаючи їх вперед. У рідині з нульовою в'язкістю (теоретично) вони не змогли б рухатися — вони б ковзали без зчеплення.
Еволюція Вимірювання В'язкості
1687
Ісаак Ньютон описує в'язкість у «Математичних началах натуральної філософії». Вводить поняття «внутрішнього тертя» в рідинах.
1845
Жан Пуазейль вивчає кровотік у капілярах. Виводить закон Пуазейля, який пов'язує швидкість потоку з в'язкістю.
1851
Джордж Стокс виводить рівняння для в'язкого течіння. Доводить зв'язок між динамічною і кінематичною в'язкістю.
1886
Осборн Рейнольдс вводить число Рейнольдса. Пов'язує в'язкість з режимом течії (ламінарний проти турбулентного).
1893
Віскозиметр Сейболта стандартизований у США. Метод витікання з чашки стає стандартом у нафтовій промисловості.
1920s
Пуаз і стокс названі одиницями СГС. 1 П = 0.1 Па·с, 1 Ст = 1 см²/с стають стандартом.
1927
Експеримент з падінням вару починається в Університеті Квінсленда. Він триває і досі — найдовший лабораторний експеримент в історії.
1960s
СІ приймає Па·с і м²/с як стандартні одиниці. Сантипуаз (сП) і сантистокс (сСт) залишаються поширеними.
1975
Стандарт ASTM D445 стандартизує вимірювання кінематичної в'язкості. Капілярний віскозиметр стає промисловим стандартом.
1990s
Ротаційні віскозиметри дозволяють вимірювати неньютонівські рідини. Важливо для фарб, полімерів, продуктів харчування.
2000s
Цифрові віскозиметри автоматизують вимірювання. Температурно-контрольовані ванни забезпечують точність до ±0.01 сСт.
Застосування в Реальному Світі
Інженерія Змащувальних Матеріалів
Вибір моторної оливи, гідравлічної рідини та змащення для підшипників:
- Класи SAE: 10W-30 означає 10W @ 0°F, 30 @ 212°F (діапазони кінематичної в'язкості)
- Класи ISO VG: VG 32, VG 46, VG 68 (кінематична в'язкість @ 40°C в сСт)
- Вибір підшипників: Занадто рідке = знос, занадто густе = тертя/нагрівання
- Індекс в'язкості (VI): Вимірює чутливість до температури (чим вище, тим краще)
- Всесезонні оливи: Додатки підтримують в'язкість при різних температурах
- Гідравлічні системи: Зазвичай 32-68 сСт @ 40°C для оптимальної продуктивності
Нафтова Промисловість
Специфікації в'язкості для палива, сирої нафти та нафтопереробки:
- Важке мазутне паливо: Вимірюється в сСт @ 50°C (повинно бути нагріте для перекачування)
- Дизель: 2-4.5 сСт @ 40°C (специфікація EN 590)
- Класифікація сирої нафти: Легка (<10 сСт), середня, важка (>50 сСт)
- Трубопровідне течіння: В'язкість визначає вимоги до потужності насосів
- Марки бункерного палива: IFO 180, IFO 380 (сСт @ 50°C)
- Процес переробки: Віскрекінг знижує кількість важких фракцій
Харчова і Напойна Промисловість
Контроль якості та оптимізація процесів:
- Класифікація меду: 2,000-10,000 сП @ 20°C (в залежності від вологості)
- Консистенція сиропу: Кленовий сироп 150-200 сП, кукурудзяний сироп 2,000+ сП
- Молочні продукти: В'язкість вершків впливає на текстуру і відчуття в роті
- Шоколад: 10,000-20,000 сП @ 40°C (процес темперування)
- Газування напоїв: В'язкість впливає на утворення бульбашок
- Олія для готування: 50-100 сП @ 20°C (точка димлення корелює з в'язкістю)
Виробництво та Покриття
Фарби, клеї, полімери та контроль процесів:
- В'язкість фарби: 70-100 KU (одиниці Кребса) для консистенції нанесення
- Розпилення покриттів: Зазвичай 20-50 сП (занадто густа забиває, занадто рідка стікає)
- Клеї: 500-50,000 сП в залежності від методу нанесення
- Полімерні розплави: 100-100,000 Па·с (екструзія/лиття)
- Друкарські фарби: 50-150 сП для флексографії, 1-5 П для офсету
- Контроль якості: В'язкість вказує на однорідність партії та термін придатності
Вплив Температури на В'язкість
В'язкість різко змінюється з температурою. У більшості рідин в'язкість зменшується при підвищенні температури (молекули рухаються швидше, течуть легше):
| Рідина | 20°C (сП) | 50°C (сП) | 100°C (сП) | % Зміна |
|---|---|---|---|---|
| Вода | 1.0 | 0.55 | 0.28 | -72% |
| Олива SAE 10W-30 | 200 | 80 | 15 | -92% |
| Гліцерин | 1412 | 152 | 22 | -98% |
| Мед | 10,000 | 1,000 | 100 | -99% |
| Трансмісійна олива SAE 90 | 750 | 150 | 30 | -96% |
Повний Довідник з Перетворення Одиниць
Всі перетворення одиниць в'язкості з точними формулами. Пам'ятайте: Динамічна і кінематична в'язкості НЕ МОЖУТЬ бути перетворені без густини рідини.
Перетворення Динамічної В'язкості
Base Unit: Паскаль-секунда (Па·с)
Ці одиниці вимірюють абсолютний опір зсувному напруженню. Всі конвертуються лінійно.
| З | В | Формула | Приклад |
|---|---|---|---|
| Pa·s | Пуаз (П) | P = Pa·s × 10 | 1 Па·с = 10 П |
| Pa·s | Сантипуаз (сП) | cP = Pa·s × 1000 | 1 Па·с = 1000 сП |
| Пуаз | Pa·s | Pa·s = P / 10 | 10 П = 1 Па·с |
| Пуаз | Сантипуаз | cP = P × 100 | 1 П = 100 сП |
| Сантипуаз | Pa·s | Pa·s = cP / 1000 | 1000 сП = 1 Па·с |
| Сантипуаз | мПа·с | mPa·s = cP × 1 | 1 сП = 1 мПа·с (ідентично) |
| Рейн | Pa·s | Pa·s = reyn × 6894.757 | 1 reyn = 6894.757 Па·с |
| lb/(ft·s) | Pa·s | Pa·s = lb/(ft·s) × 1.488164 | 1 lb/(ft·s) = 1.488 Па·с |
Перетворення Кінематичної В'язкості
Base Unit: Квадратний метр на секунду (м²/с)
Ці одиниці вимірюють швидкість потоку під дією сили тяжіння (динамічна в'язкість ÷ густина). Всі конвертуються лінійно.
| З | В | Формула | Приклад |
|---|---|---|---|
| m²/s | Стокс (Ст) | St = m²/s × 10,000 | 1 м²/с = 10,000 Ст |
| m²/s | Сантистокс (сСт) | cSt = m²/s × 1,000,000 | 1 м²/с = 1,000,000 сСт |
| Стокс | m²/s | m²/s = St / 10,000 | 10,000 Ст = 1 м²/с |
| Стокс | Сантистокс | cSt = St × 100 | 1 Ст = 100 сСт |
| Сантистокс | m²/s | m²/s = cSt / 1,000,000 | 1,000,000 сСт = 1 м²/с |
| Сантистокс | мм²/с | mm²/s = cSt × 1 | 1 сСт = 1 мм²/с (ідентично) |
| ft²/s | m²/s | m²/s = ft²/s × 0.09290304 | 1 ft²/s = 0.0929 м²/с |
Перетворення Промислових Стандартів (в Кінематичну)
Емпіричні формули перетворюють час витікання (секунди) в кінематичну в'язкість (сСт). Вони є приблизними і залежать від температури.
| Розрахунок | Формула | Приклад |
|---|---|---|
| Універсальні Сейболта в сСт | cSt = 0.226 × SUS - 195/SUS (для SUS > 32) | 100 SUS = 20.65 cSt |
| сСт в Універсальні Сейболта | SUS = (cSt + √(cSt² + 4×195×0.226)) / (2×0.226) | 20.65 cSt = 100 SUS |
| Редвуд № 1 в сСт | cSt = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (для RW1 > 34) | 100 RW1 = 24.21 cSt |
| сСт в Редвуд № 1 | RW1 = (cSt + √(cSt² + 4×179×0.26)) / (2×0.26) | 24.21 cSt = 100 RW1 |
| Градус Енглера в сСт | cSt = 7.6 × °E - 6.0/°E (для °E > 1.2) | 5 °E = 36.8 cSt |
| сСт в Градус Енглера | °E = (cSt + √(cSt² + 4×6.0×7.6)) / (2×7.6) | 36.8 cSt = 5 °E |
Перетворення Динамічна ↔ Кінематична (Вимагає Густини)
Ці перетворення вимагають знання густини рідини при температурі вимірювання.
| Розрахунок | Формула | Приклад |
|---|---|---|
| Динамічна в Кінематичну | ν (m²/s) = μ (Pa·s) / ρ (kg/m³) | μ=0.001 Pa·s, ρ=1000 kg/m³ → ν=0.000001 m²/s |
| Кінематична в Динамічну | μ (Pa·s) = ν (m²/s) × ρ (kg/m³) | ν=0.000001 m²/s, ρ=1000 kg/m³ → μ=0.001 Pa·s |
| сП в сСт (поширено) | cSt = cP / (ρ в г/см³) | 100 cP, ρ=0.9 г/см³ → 111 cSt |
| Наближення для води | Для води близько 20°C: cSt ≈ cP (ρ≈1) | Вода: 1 сП ≈ 1 сСт (в межах 0.2%) |
Часто Задавані Питання
У чому різниця між динамічною і кінематичною в'язкістю?
Динамічна в'язкість (Па·с, пуаз) вимірює внутрішній опір рідини зсуву — її абсолютну «густоту». Кінематична в'язкість (м²/с, стокс) — це динамічна в'язкість, поділена на густину — як швидко вона тече під дією сили тяжіння. Вам потрібна густина, щоб конвертувати між ними: ν = μ/ρ. Подумайте так: мед має високу динамічну в'язкість (він густий), але ртуть також має високу кінематичну в'язкість, незважаючи на те, що вона «рідка» (тому що вона дуже щільна).
Чи можу я конвертувати сантипуази (сП) в сантистокси (сСт)?
Ні, не знаючи густини рідини при температурі вимірювання. Для води близько 20°C, 1 сП ≈ 1 сСт (тому що густина води ≈ 1 г/см³). Але для моторної оливи (густина ≈ 0.9), 90 сП = 100 сСт. Наш конвертер блокує перехресні перетворення, щоб запобігти помилкам. Використовуйте цю формулу: сСт = сП / (густина в г/см³).
Чому на моїй оливі написано '10W-30'?
Класи в'язкості SAE вказують діапазони кінематичної в'язкості. '10W' означає, що воно відповідає вимогам до текучості при низькій температурі (W = winter, перевірено при 0°F). '30' означає, що воно відповідає вимогам до в'язкості при високій температурі (перевірено при 212°F). Всесезонні оливи (наприклад, 10W-30) використовують додатки для підтримки в'язкості в різних температурах, на відміну від односезонних олив (SAE 30), які значно розріджуються при нагріванні.
Як Секунди Сейболта співвідносяться з сантистоксами?
Універсальні Секунди Сейболта (SUS) вимірюють, скільки часу потрібно 60 мл рідини, щоб витекти через калібрований отвір. Емпірична формула: сСт = 0.226×SUS - 195/SUS (для SUS > 32). Наприклад, 100 SUS ≈ 21 сСт. SUS все ще використовується в нафтових специфікаціях, незважаючи на те, що це старий метод. Сучасні лабораторії використовують кінематичні віскозиметри, які безпосередньо вимірюють сСт відповідно до ASTM D445.
Чому в'язкість зменшується з температурою?
Вища температура надає молекулам більше кінетичної енергії, дозволяючи їм легше ковзати одна повз одну. У рідин в'язкість зазвичай знижується на 2-10% на кожен °C. Моторна олива при 20°C може мати 200 сП, але при 100°C лише 15 сП (13-кратне зниження!). Індекс В'язкості (VI) вимірює цю температурну чутливість: оливи з високим VI (100+) краще зберігають в'язкість, з низьким VI (<50) — значно розріджуються при нагріванні.
Яку в'язкість я повинен використовувати для моєї гідравлічної системи?
Більшість гідравлічних систем працюють найкраще при 25-50 сСт @ 40°C. Занадто низька (<10 сСт) викликає внутрішні витоки і знос. Занадто висока (>100 сСт) викликає уповільнену реакцію, високе споживання енергії і накопичення тепла. Перевірте специфікацію виробника вашого насоса — лопатеві насоси віддають перевагу 25-35 сСт, поршневі насоси переносять 35-70 сСт. ISO VG 46 (46 сСт @ 40°C) є найпоширенішою гідравлічною оливою загального призначення.
Чи існує максимальна в'язкість?
Теоретичного максимуму немає, але практичні вимірювання стають важкими при значеннях вище 1 мільйона сП (1000 Па·с). Бітум/вар може досягати 100 мільярдів Па·с. Деякі полімерні розплави перевищують 1 мільйон Па·с. При екстремальних значеннях в'язкості межа між рідиною і твердим тілом стирається — ці матеріали демонструють як в'язке течіння (як рідини), так і пружне відновлення (як тверді тіла), що називається в'язкопружністю.
Чому деякі одиниці названі на честь людей?
Пуаз вшановує Жана Леонара Марі Пуазейля (1840-ві), який вивчав кровотік у капілярах. Стокс вшановує Джорджа Габріеля Стокса (1850-ті), який вивів рівняння для в'язкого течіння і довів зв'язок між динамічною і кінематичною в'язкістю. Рейн (фунт-сила-секунда на квадратний дюйм) названий на честь Осборна Рейнольдса (1880-ті), відомого числом Рейнольдса в гідродинаміці.
Повний Довідник Інструментів
Усі 71 інструменти, доступні на UNITS